熱泵——迸發生活新動力

演講者：秦曉宇

推薦單位：北京制冷學會

提起熱泵，大家可能都有些陌生，但是說到“煤改電”，大家肯定都有所耳聞。近年來我國冬季飽受霧霾困擾，燃煤污染對霧霾天氣的形成有著巨大影響，為了減少冬季的燃煤污染，改善空氣質量，國家大力推行煤改電政策，其中的一個重要途徑就是采用空氣源熱泵進行供暖。

那么熱泵究竟是什么呢？我們的生活中有各種各樣的泵。比如說水泵就是把水從較低的位置送到高處，進而來提升水的高度。直觀感受來看，熱泵可能是用來提升熱量的高度，那么熱量的高度用什么表示呢？沒錯，熱量的高度就是用溫度表示了。說熱泵提升的是溫度可能有些難以理解，告訴你個小竅門，你把熱泵看作是一個加熱器就好了。那么和普通的加熱器相比，熱泵有什么好處呢？我在這先賣個關子。

讓我們一起來追溯一下熱泵的歷史。熱泵的模型早在1852年就被湯姆遜建立在紙上了。到了1927年，霍爾丹將熱泵應用于家庭供暖。20世紀60年代以后，熱泵技術得到了飛速的發展，除了為家庭供暖，熱泵的用武之地還有很多。在生活中的方方面面都有熱的需求，可以說哪里需要熱量，哪里就應該出現熱泵的身影。

說了半天有朋友可能會想：熱泵究竟是怎么運行的呢？容我給大家科普一下熱泵的循環。最簡單的熱泵循環是由四個部件組成，它們分別是蒸發器、壓縮機、冷凝器、節流裝置，部件之間由管路連接，管路里邊流動的就是熱泵工質。熱泵系統是靠電驅動的，在蒸發器中，熱泵工質將從空氣中吸收熱量，通過壓縮機將這部分熱量連同輸入給壓縮機的電能一起送到冷凝器當中，冷凝器再把這些熱量釋放給用戶，這樣用戶的屋子里就暖和了，也有熱水可以洗澡洗衣做飯了。

說起熱泵的循環可能有些難理解，給大家舉一個通俗的例子。請大家把熱泵工質看作要給一戶頂層居民送貨的搬運工。從環境空氣中吸收的熱量，是搬運工要送的貨物。在電能的驅動下，搬運工開始爬樓梯，搬運工一邊爬樓梯一邊把輸入的電能也轉化成了熱能，最終他把從空氣中吸收的能量和驅動他上樓的電能都送給了住在頂層的住戶，這個住戶最終得到的熱量就是從空氣中吸收的能量和驅動搬運工運貨的能量之和。

所以說，熱泵的作用是將空氣中吸收的能量連同電能一起泵送到用熱端。我們把從空氣中獲取能量的熱泵叫做空氣源熱泵，同理，還有水源熱泵、土壤源熱泵等。那么我們又是如何比較不同熱泵的性能呢？

這就要請出我們熱泵界大名鼎鼎的評價指標COP了。COP的定義是熱泵系統提供的熱量與熱泵消耗電能的比值，可以看到對于熱泵來說，其COP值始終是大于1的，這就回答了我前面提出的與普通電加熱相比，熱泵究竟好在哪里的問題。消耗同樣的一份電能，使用電加熱最多收獲一份熱量，而熱泵可以獲得大于一份的熱量，區別在于利用了空氣中的這部分能量，熱泵的節能效果，就體現于此。

說了這么久，大家可能很好奇，我現在的研究工作是什么，我的研究問題主要集中在以下這兩個方面：熱泵在低環境溫度下的工作適應性問題，以及如何盡可能地提高熱泵加熱熱水的出水溫度的問題。

還拿搬運工來舉例子吧，在一般的出水溫度要求下，我們的搬運工可以很快完成任務，但是在低的環境溫度時，就相當于是將樓層的數目增加了，比如一開始是讓搬運工從一層開始搬運貨物，現在要求他從地下五層開始搬運到同樣的位置，他會感覺到很費勁;當有較高的出水溫度要求的時候，就相當于搬運工所經過的每一節的臺階都變高了，這樣他們工作起來也會感到很吃力。

為了解決現在遇到的這兩個問題，我想到的應對辦法是這樣的：首先，在較低的環境溫度時，使用混合工質，也就是多叫幾個搬運工過來，讓他們在彼此最舒適的樓層干活，形成接力的效果，這樣干起活來就沒有那么費勁了;其次，在應對很高溫度的出水要求時，我會挑選使用性能良好的工具，也就是讓身強力壯的搬運工出來干活，并且對熱泵的循環進行優化，也就是幫助搬運工減少爬樓梯時遇到的阻力，保證他們的工作效率。

現在熱泵已經走進了千家萬戶，但是相比較于擁有廣袤土地的我們的祖國來說，熱泵普及的地方還是很少，特別是一些冬季寒冷的地區，目前的普通熱泵是沒有辦法正常工作的，而我的研究工作就是讓熱泵普及到冬季更加寒冷的地方去，去適應各種極端的環境，這也是我的導師為我定下的目標。我期待在不久的將來，熱泵技術可以為更多的家庭提供便利，為我國的節能減排事業做出更大的貢獻，讓我們的生活迸發出新的活力！